CN102409187B - 电流制备半固态金属浆/坯料的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种电流制备半固态金属浆/坯料的方法及其装置，方法的后续工序包括：(1)将合金精炼后导入保温炉，并将金属浆/坯料温度控制在其液相线温度TL以上0℃～10℃范围内；(2)对金属浆/坯料进行电流处理0～30分钟，电流处理过程中，保温炉炉温控制在TL-5℃～TL+15℃温度范围内；(3)将电流处理后的金属浆/坯料冷却至半固态成形温度TSS-5℃～TSS+5℃，金属浆/坯料保温0～30分钟后注入模腔成形；所述装置包括母液坩埚、流槽、保温炉、炉盖、热电偶、保温坩埚、电流处理装置、电源、料仓、冲头和模腔。本发明集控制浇注法与电流凝固技术于一体，具有工艺简单、产品组织细小和球化率高的优点，可用于镁、铝、锡、铜等多种合金的半固态浆/坯料制备，尤其适用于镁合金半固态浆/坯料的制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属制备装置及方法，尤其涉及一种适用于金属材料半固态成形过程的电流制备半固态金属浆/坯料的方法与装置，特别适用于镁合金半固态成形过程，属于金属材料及冶金技术领域。
背景技术
半固态金属成形具有许多独特的优点，如近(净)终成形、产品质量高和高性能工艺节能等，被誉为21世纪最具前途的金属材料加工技术之一。根据工艺方法的不同，半固态成形技术可分为流变成形和触变成形两大类。流变成形工艺流程短，能够显著提高企业的产能，因此在工业生产中得到了更广阔的应用。触变成形流程长，产能低，但产品质量容易控制。无论是流变成形还是触变成形，都需要优质的浆/坯料。进一步开发半固态浆/坯料制备技术是半固态成形技术得以发展和应用的基石。
用于制备半固态浆/坯料的方法很多，主要分为液态制备法、固态制备法以及控制浇注法，液态制备法又可分为搅拌法与非搅拌法两大类。搅拌法包括机械搅拌(如美国专利：专利号为5501266、5040589和3958650；日本专利：专利号为1-192447；中国专利：专利公开号为CN2471450Y)和电磁搅拌(如美国专利：专利号为4434837)；非搅拌法包括化学晶粒细化法、喷射成形法等。固态制备法有应变诱导熔体激活法。
目前，控制浇注法发展较为迅速，东北大学提出了近液相线铸造法(中国专利：专利公开号为CN1305876A)，专利号为EP0745394Al的欧洲专利提出了冷却斜槽法，而专利号为EP0745649Al的欧洲专利提出了液体混合法。这些方法过程简单，设备要求不高，因此制浆成本较低，发展潜力巨大。
近年来一些研究者将传统搅拌法与控制浇注法相结合，提出了一些复合制备工艺，有很好的交互作用效果。专利号为US2002/0096231的美国专利提出“新MIT法”：在液相线附近，用自带冷却效果的搅拌器进行搅拌后，经缓冷或绝热处理冷却至成形温度。专利公开号为CN1330990A的中国专利提出在液相线附近进行机械搅拌或弱电磁搅拌。虽然上述复合制备工艺能结合搅拌与控制浇注的优点，但不同程度地存在搅拌棒寿命低、容易引入夹杂、能耗大等固有缺点，大大限制了半固态成形技术前进的步伐。
材料电磁加工技术已成为材料科学和工程领域内重要的研究方向，并成为新材料、新工艺的开发源泉。其中，电流技术以其特有的能量输出方式能够更有效地细化凝固组织的作用。电流细化凝固组织的作用机理是：降低相变驱动力，提高形核率；电流产生的磁致伸缩效应与剪切应力破碎枝晶、球化晶粒、抑制长大、降低偏析；电流本身具有环境友好、施加简便、能耗低的特点。
发明内容
本发明针对上述现有技术及方法的不足，提供一种将电流技术与金属凝固技术相结合，制备半固态浆/坯料的方法，同时提供一种实现该方法的装置。本发明一方面采用控制浇注法简单实用的工艺设备与路线，另一方面在降低相变活化能的同时，避免机械搅拌与电磁搅拌自身的不足，在短时间内制备出组织细小、分布均匀的球状半固态浆/坯料。
为实现以上目的，本发明通过如下技术方案解决其技术问题：
一种电流制备半固态金属浆/坯料的方法，包括前道常规的熔化、精炼、扒渣和除气工序，其后续的工序包括以下步骤：
(1)将母液坩埚内经过精炼得到的半固态金属浆/坯料母液的温度控制在该合金液相线温度TL±10℃～±40℃以内，通过流槽将半固态金属浆/坯料母液导入保温炉中的保温坩埚，并控制保温炉炉温在液相线温度TL以上0℃～10℃范围内；
(2)使用电流处理装置对保温坩埚内的半固态金属浆/坯料母液进行电流处理0～30分钟，电流处理过程中，保温炉炉温控制在TL-5℃～TL+15℃温度范围内；
(3)迅速将电流处理后的半固态金属浆/坯料母液冷却至半固态成形温度TSS-5℃～TSS+5℃，半固态金属浆/坯料母液保温0～30分钟后迅速注入料仓，并由冲头压入模腔；
其中，TL为合金液相线温度，TSS为半固态成形温度。
本发明所述的电流制备半固态金属浆/坯料的方法的后续工序(2)可以为：
(2)使用电流处理装置对经过流槽的及保温坩埚内的半固态金属浆/坯料母液同时进行电流处理0～30分钟，电流处理过程中，保温炉炉温控制在TL-5℃～TL+15℃温度范围内；所述电流处理采用直流电流、交流电流、脉冲电流或雷电流。
本发明另一技术方案为：
一种实施所述电流制备半固态金属浆/坯料的方法的装置，其包括母液坩埚、流槽、保温炉、炉盖、热电偶、保温坩埚、电流处理装置、电源、料仓、冲头和模腔，其中，流槽倾斜地设置于上方的母液坩埚与下方的保温炉之间，保温坩埚置于该保温炉中，炉盖盖置于保温炉之上且上面设有通孔，热电偶和电流处理装置的两电极通过该通孔插入保温坩埚中的半固态金属浆/坯料母液内，电源与电流处理装置连接，冲头设于料仓内，该料仓与模腔相通。
本发明所述的电流制备半固态金属浆/坯料的装置，其电流处理装置的一电极插入保温坩埚中的半固态金属浆/坯料母液内，另一电极插入流槽的半固态金属浆/坯料母液内；所述流槽由金属材料或无机非金属材料制成；其倾斜角度为20°～70°；所述电流处理装置的电极由镁、锌、铝、铜、石墨、铁或钢制成。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
所述电流制备半固态金属浆/坯料的方法，一方面，采用控制浇注法简单实用的工艺设备与路线，另一方面，降低了相变活化能，促进了半固态浆/坯料组织的细化，实现了球状晶的均匀分布，其最大的特点是后期容易与压铸、挤压等常规成形技术相结合，制备出高性能的铸件，具有较大的市场推广价值。本发明思路新颖，集控制浇注法与电流凝固技术于一体，具有复合制浆功能，可用于镁、铝、锡、铜等多种合金的半固态浆/坯料制备，尤其适用于镁合金半固态浆/坯料的制备。
附图说明
图1是本发明工艺流程之一的示意图。
图2是本发明工艺流程之二的示意图。
图3(a)和(b)是实施例1电流处理前后的半固态组织。
图4(a)和(b)是实施例2电流处理前后的半固态组织。
图5(a)和(b)是实施例3电流处理前后的半固态组织。
上述附图中，1-母液坩埚，2-流槽，3-保温炉，4-炉盖，5-热电偶，6-保温坩埚，7-电流处理装置，8-电源，9-半固态金属浆/坯料母液，10-料仓，11-冲头，12-模腔，13-铸件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提下给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。
图1所示电流制备半固态金属浆/坯料的装置包括母液坩埚1、流槽2、保温炉3、炉盖4、热电偶5、保温坩埚6、电流处理装置7、电源8、料仓10、冲头11和模腔12。其中，流槽2倾斜地设置于上方的母液坩埚1与下方的保温炉3之间，该流槽由金属材料或无机非金属材料制成，其倾斜角度为20°～70°，半固态金属浆/坯料母液9依靠自身重力作用即可以完全通过；保温坩埚6放置于该保温炉3中，炉盖4盖置于保温炉3之上，并且上面设有通孔，电流处理装置7的两电极和热电偶5通过该通孔插入保温坩埚6中的半固态金属浆/坯料母液9内，该通孔还是半固态金属浆/坯料母液9进入保温坩埚6的通道；电源8与电流处理装置7通过电线或电缆相连接，该电流处理装置7的电极由镁、锌、铝、铜、石墨、铁或钢制成；冲头11设于料仓10内，该料仓10与模腔12相通。
图2所示的电流制备半固态金属浆/坯料的装置基本上与图1所示的设备相同，所不同之处在于，其电流处理装置7的一个电极插入保温坩埚6中的半固态金属浆/坯料母液9内，另一个电极插入流过流槽2的半固态金属浆/坯料母液9内。
图1与图2所表示的工艺流程步骤相同，只是电流处理装置7的位置不同。
本发明所述电流制备半固态金属浆/坯料的方法的工艺流程描述如下：
首先与常规的方法一样，进行前道的熔化、精炼、扒渣和除气工序，将精炼得到的待浇注半固态金属浆/坯料母液存置于母液坩埚1中，后续的工序包括以下步骤：
(1)将母液坩埚1内经过精炼得到的半固态金属浆/坯料母液9的温度控制在该合金液相线温度TL±10℃～±40℃以内；受重力作用，通过流槽2将半固态金属浆/坯料母液9导入保温炉3中的保温坩埚6，并在流槽2中完成冷却过程；控制保温炉6炉温在液相线温度TL以上0℃～10℃范围内。
(2)使用电流处理装置7对保温坩埚6内的半固态金属浆/坯料母液9进行电流处理0～30分钟，处理采用的电流可以为直流电流、交流电流、脉冲电流或雷电流，电流范围在0～1000000A；电流处理过程中，保温炉炉温控制在TL-5℃～TL+15℃温度范围内。
(3)通过保温炉3，迅速将电流处理后的半固态金属浆/坯料母液9冷却至半固态成形温度TSS-5℃～TSS+5℃，半固态金属浆/坯料母液9保温0～30分钟后迅速注入料仓10，并由冲头11压入模腔12，形成铸件13。
上述步骤中，TL为合金液相线温度，TSS为半固态成形温度。上述步骤的工艺流程采用图1所示的设备装置。
本发明所述电流制备半固态金属浆/坯料的方法的另一工艺流程与上述方法步骤基本相同，所不同的在于工序(2)：
(2)使用电流处理装置7对保温坩埚6内的半固态金属浆/坯料母液9以及经过流槽2的半固态金属浆/坯料母液9同时进行电流处理0～30分钟，处理采用的电流可以为直流电流、交流电流、脉冲电流或雷电流，电流范围在0～1000000A；电流处理过程中，保温炉炉温控制在TL-5℃～TL+15℃温度范围内。
上述步骤的工艺流程采用图2所示的设备装置。
下面通过一些常见铸造合金的实施例，对本发明作进一步的说明。
实施例1
ZL101铝合金液相线温度TL＝585.5℃，固相线温度TS＝515.8℃。首先将合金在电阻炉内熔化，650℃时用六氟乙烷精炼，静置15～30min后进行撇渣，精炼成半固态金属浆/坯料母液9置于母液坩埚1内，并且温度控制在595℃～615℃范围内。
采用图1所示的工艺流程和装置。将半固态金属浆/坯料母液9倾注至流槽2，受重力作用，半固态金属浆/坯料母液9自行流至保温坩埚6内，并在流槽2中完成冷却过程，保温坩埚6置于保温炉3内，母液温度控制在560℃～580℃范围内。
电流处理装置7采用10A的直流电流，在560℃～580℃温度范围内对半固态金属浆/坯料母液9进行电流处理，处理时间为5min。
待保温坩埚6内的半固态金属浆/坯料母液9温度降至545℃～565℃时，将处理好的半固态金属浆/坯料母液9导入料仓10中，由冲头11压入模腔12，完成铸件13的成形过程。
电流处理前后ZL101铝合金的凝固组织如图3(a)和(b)所示。
实施例2
A390铝合金液相线温度TL＝615.6℃，固相线温度TS＝567.5℃。首先将合金在电阻炉内熔化，720℃时用六氟乙烷精炼，静置15～30min后进行撇渣，精炼成半固态金属浆/坯料母液9置于母液坩埚1内，并且温度控制在635℃～655℃范围内。
采用图2所示的工艺流程和装置。将半固态金属浆/坯料母液9倾注至流槽2，受重力作用，半固态金属浆/坯料母液9自行流至保温坩埚6内，并在流槽2中完成冷却过程，保温坩埚6置于保温炉3内，半固态金属浆/坯料母液9的温度控制在610℃～630℃范围内。
电流处理装置7一电极插入流槽2，另一电极从保温炉盖4上的孔穿过。电流处理装置7采用200A的直流电流，对保温坩埚6内的半固态金属浆/坯料母液9以及经过流槽2的半固态金属浆/坯料母液9同时进行电流处理，保温坩埚6温度控制在610℃～630℃范围内，处理时间为1min。
待保温坩埚6内的半固态金属浆/坯料母液9温度降至585℃～595℃时，将处理好的半固态金属浆/坯料母液9导入料仓10中，由冲头11压入模腔12，完成铸件13的成形过程。
电流处理前后A390铝合金的凝固组织如图4(a)和(b)所示。
实施例3
AZ91D镁合金的液相线TL＝595℃，固相线温度TS＝470℃。首先将合金在电阻炉内熔化，由2％SF6+CO2进行保护，740℃时用JDMJ精炼剂精炼，静置10～30min后进行捞底、撇渣，精炼成半固态金属浆/坯料母液9置于母液坩埚1内，并且半固态金属浆/坯料母液9的温度控制在615℃～635℃范围内。
采用图1所示的工艺流程和装置。将母液浇注至流槽2，受重力作用，母液自行流至保温坩埚6内，并在流槽2中完成冷却过程。保温坩埚6置于保温炉3内，母液温度控制在590℃～620℃范围内。
电流处理装置7采用10A、50Hz的交流电流，在610℃～630℃温度范围内对半固态金属浆/坯料母液9进行电流处理，处理时间为3min。
待保温坩埚6内的半固态金属浆/坯料母液9温度降至565℃～595℃时，将处理好的半固态金属浆/坯料母液9导入料仓10中，由冲头11压入模腔12，完成铸件13的成形过程。
电流处理前后AZ91D镁合金的凝固组织如图5(a)和(b)所示。
采用本发明所述电流制备半固态浆/坯料的方法所制备的半固态浆料可直接用于压铸、挤压或轧制。
本发明所涉及的电流制备半固态浆/坯料的方法与装置适用于镁合金、铝合金、锡合金、铜合金等金属材料的半固态浆坯料的制备与流变成形，尤其适用于镁合金半固态浆/坯料的制备与流变成形。
Claims (5)
1.一种电流制备半固态金属浆/坯料的方法，包括前道常规的熔化、精炼、扒渣和除气工序，其特征在于：所述方法后续的工序包括以下步骤：
（1）将母液坩埚内经过精炼得到的半固态金属浆/坯料母液的温度控制在该合金液相线温度TL±10℃~±40℃以内，通过流槽将半固态金属浆/坯料母液导入保温炉中的保温坩埚，并控制保温炉炉温在液相线温度TL以上0℃~10℃范围内；
（2）使用电流处理装置对经过流槽的及保温坩埚内的半固态金属浆/坯料母液同时进行电流处理0~30分钟，但不包括0分钟，电流处理过程中，保温炉炉温控制在TL-5℃~TL+15℃温度范围内；
（3）迅速将电流处理后的半固态金属浆/坯料母液冷却至半固态成形温度TSS-5℃~TSS+5℃，半固态金属浆/坯料母液保温0~30分钟后迅速注入料仓，并由冲头压入模腔；
其中，TL为合金液相线温度，TSS为半固态成形温度；
实施所述方法的装置包括母液坩埚、流槽、保温炉、炉盖、热电偶、保温坩埚、电流处理装置、电源、料仓、冲头和模腔，其中，流槽倾斜地设置于上方的母液坩埚与下方的保温炉之间，保温坩埚置于该保温炉中，炉盖盖置于保温炉之上且上面设有通孔，热电偶和电流处理装置的一电极插入保温坩埚中的半固态金属浆/坯料母液内，电流处理装置的另一电极插入流槽的半固态金属浆/坯料母液内，电源与电流处理装置连接，冲头设于料仓内，该料仓与模腔相通。
2.根据权利要求1所述的电流制备半固态金属浆/坯料的方法，其特征在于：所述电流处理采用直流电流、交流电流、脉冲电流或雷电流。
3.根据权利要求1所述的电流制备半固态金属浆/坯料的方法，其特征在于：所述流槽由金属材料或无机非金属材料制成。
4.根据权利要求1所述的电流制备半固态金属浆/坯料的方法，其特征在于：所述流槽倾斜角度为20°~70°。
5.根据权利要求1所述的电流制备半固态金属浆/坯料的方法，其特征在于：所述电流处理装置的电极由镁、锌、铝、铜、石墨、铁或钢制成。
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